雙面印製板的電磁兼容性設計

    摘要：從電子系統電磁兼容性角度出發，詳細地敘述了雙面印製電路板上的元器件的布局、供電線路和信號線路的布線原則；並對雙面印製板的自動布線進行討論。

    印製電路板(簡稱印製板)是電子應用系統中元器件、電源線和信號線的高度集合體。印製板設計的好壞對其系統的電磁兼容性的能力有很大的影響，因此印製板的設計決不單是元器件與線路的簡單布局、排布，只要有意識加強電磁兼容性設計，才能使其系統的抗干擾能力增強，穩定性提高。
    對於常用的單片機系統，時鐘頻率一般在4～12 MHz，其餘的集成電路多為74HC和74LS系列，若採用單面的印製板，很難滿足需要，採用多層的，代價又太大，所以大多採用雙面印製板。使用雙面印製板時，只要充分地考慮了電磁兼容性問題，是可以滿足應用方面要求的。
    當然，單片機系統的電磁兼容性所涉及的問題是方方面面的。本文只就雙面印製板面上單元電路(或元器件)的布局、線路的布置等與電磁兼容性相關問題進行簡要地分析，並相應地給出具體措施。

1  印製板上單元電路的布局
    雙面印製板上各種單元電路的相互位置，直接影響系統的電磁兼容性。因此對將要使用單元電路的進行甄別就顯得很重要。根據單元電路在使用中對電磁兼容性的敏感程度的不同進行分組。分組的目的是為了按組對印製板區間進行分割，讓同組元器件放在一起，以便於在空間上保證各組間的元器件不產生相互干擾。一般按工作速度快慢或電源電壓的等級進行分組。

1.1按工作速度的快慢分組布局
    單元電路工作頻率越高，速度就越快，信號的頻譜也就越豐富；高頻分量比例越大，對外干擾也就越強。可根據單元電路的工作頻率分為高速電路(如微處理器)，中速電路(如顯示處理)，低速電路(如介面)和模擬電路(如模擬信號放大器)。多種速度電路在印製板上的布局一般如圖1所示。
 
1.2按工作電源電壓的等級分組布局
    一般說來電源電壓不同，電路的種類往往不同。例如，數字電路用5v的較多，模擬電路中運算放大器等用12v、15v較多；若用同種電源電壓的電路中仍有數字與模擬元器件之分，還可以再分組。不同的電源電壓的等級布局如圖2所示。
 
  注意：不能將電源電壓等級不同的元器件交叉重疊，以防止相互串擾。其元器件分佈的合理性如圖3所示。
 

2 地線和電源線的布置
    從解決電磁兼容性著眼，印製板上的線，以地線最為重要，所以對雙面印製板來說地線要布置得特別合理。
2.1採用分類的地線
    地線分類是根據不同的電源電壓、數字與模擬、高速與低速和大電流與小電流等分別設置地線。分類設地的目的是為了防止其地線阻抗耦合干擾。雙面印製板用軌線作地線，即使軌線較寬，電感量也不能忽略，高頻電流通過時仍有可觀的電壓降，所以一般採用分地方法。所謂的分地，就是在布線時分開，而最後都彙集到直流電源的一點地上。

2.2採用網狀結構的地線
    對於同類單元電路(或元器件)提高電磁兼容性效果的有效方法是採用網狀結構地線如圖4所示。圖中實線為正面軌線，虛線為反面軌線，實線與虛線相互垂直，交叉點處由金屬化孔連接。這樣電流可以就近迴流。圖4中的垂直地線可能給正面布線造成一定困難，可用小型母線來替代，並與電源供電線連結起來如圖5所示。圖中垂直的寬線條代表小型電流母線，可以裝卸，便於調度。
  
2.3供電線應與地線配合布置
    應從兩個方面入手，一是儘可能減少供電線路的特性阻抗；二是減小供電迴路面積。
    雙面印製板的供電線路是由軌線組成的，為減小供電用軌線對的特性阻抗，供電軌線和地軌線應儘可能地寬，並且利用正反面使它們相互平行靠近，若可能的話相互放置對應面，使供電環路面積減小到最低程度。不同的供電環路不要相互重疊，以便於減小電磁的干擾。

2.4退耦電容的配置
    雙面板上採用軌線對供電，除了注意軌線對的走線方式，同時應在每片集成電路旁加容量為0.01～0.10 uF的高頻去耦電容，還應在印製板連接的電源軌線對引入處加一個高頻去耦電容和一個容量1～10 uF的低頻濾波電容，以進一步提高電源去耦濾波的低頻特性。

3 信號線的布置
3.1  不相容的信號應相互隔離
    高頻與低頻、電流大與電流小、數字與模擬信號是不相容的。在考慮了不相容元器件的位置后，在信號線的布置上仍應該注意它們之間的隔離，以免相互之間產生耦合干擾。一般可採取以下措施：
    (1)不相容的信號線應相互遠離，不要平行；分佈在正反兩面的信號線應相互垂直。以減少線間的電場和磁場的耦合干擾。
    (2)高速信號線尤其是時鐘線應儘可能地短，必要時可在高速信號線的兩邊加隔離地線。
    (3)作為單元電路的輸入、輸出的信號線應布置在各自區域，不要交叉。

3.2盡量減小信號環路的面積
    減小信號環路面積，減少環路的重疊，對於大電流環路抗串擾尤為重要。在雙面板上，信號線及其迴流線應該緊靠一起布置，最好每條信號線都有自己的迴流線，尤其是直流放大器，否則容易給電路造成干擾。

4 其它電磁兼容性措施
4.1 走線形狀不要有纏結和分支或硬拐角。因為那樣可能會破壞導線特性阻抗的一致性或導致反射和產生諧波或局部高電壓引起放電現象。一般優先選用和避免採用的印製導線形狀，如圖6所示。
 

4.2在敏感元器件接線端頭和印製板的邊框用地、環保護起來，如圖7所示。注意保護環不能充當電流回線，只能單點接地。
 
4.3不要在印製板上留下空白的銅皮層。因為它們既可能充當發射天線，也可能充當接收天線，必須將它們接地。
4.4 I/O驅動電路儘可能靠近印製板邊，讓它們儘快地離開印製板。
4.5  閑置不用的門電路輸入、輸出不要懸空；閑置不用的運算放大器同相輸入端要接地，反相輸入端接其輸出。

5 有選擇地使用自動布線
    印製板布線大多採用布線軟體來進行自動布線，這是造成印製板電磁兼容性能力下降的主要原因。自動布線軟體事先根據人為規定方法進行布線，其布線的原則大多數都是充分利用印製板的面積資源，目前尚未見到有判斷識別相鄰件或線相容性能力的自動布線軟體。由於雙面印製板的可用面積資源有限，所以設計者應謹慎使用自動布線，親自參與一部分佈線工作。一般手工操作的有：

1. 印製板區域的分割(元器件的布置)；
2. 地線與供電線的布置；
3. 高速信號線的布置(可首批自動布線)；
4. 敏感器件的線及線端保護等。

6 結束語
    本文從實用的角度討論了雙面印製電路設計中的電磁兼容性技術。根據我們多年在單片機系統應用開發中的經驗，力求從實用的角度出發，給出了雙面印製板設計中的一些相應抗干擾措施。

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